[发明专利]具有力传感器的微型夹具

说明书

技术领域

本发明涉及操纵微型物体和测量施加在所述微型物体上力的微型操纵装置，其包括微型夹具和连接到所述微型夹具的力传感器。

背景技术

通常，这样的微型弹簧操纵装置可以用于夹紧微型物体并且施加和测量施加到所述物体上的力，其中所述微型物体具有微型尺寸，例如微型纤维。

本说明书的“微尺度尺寸”是指在5mm以下，特别是在1mm以下，即在微米范围内的最小尺寸。即，如果物体的至少一个维度处于这样被认为是“微尺度物体”的数量级，但其他维度可较大，则就足够了。例如，微纤维是具有可以远低于100μm或甚至低于10μm厚度的物体，而这种微纤维的长度可以具有诸如几厘米或甚至几米的宏观尺寸。但是，如果这样的微纤维要被抓住或者甚至必须穿过相应小的孔口，则必须将其视为根据本发明的微尺度物体，因为微尺度厚度与在特定应用中操纵这类对象有关。这也可应用于薄膜或其他物体，例如微型颗粒或甚至纳米颗粒,只要其需要被操纵抓住和/或测试它们机械性能，例如拉伸强度(tensile strength)、弹性性能等。

具体而言，本发明涉及能够施加和测量作用于微尺度尺寸上或由材料和组件施加的小的拉伸力(tensile force)或压缩力(compression force)(通常低于1N)的装置。

微拉伸测试仪在本领域中是已知的，并且它们主要在两个应用领域中需要，即，表征用于制造机电系统(MEMS)的材料和组件以及表征各种材料的微尺度样本，例如微尺度纤维。

微尺度纤维不需要大力来进行操作，但是一些纤维如纸纤维和CNT需要相对高的力来进行拉伸测试和机械表征。这些力不一定在微观力范围内，且可以高达1N。

用于微拉伸测试的装置分为三类：

i)商业化的通用微型测试机器，其使用负载传感器(load cell)，

ii)原子力显微镜(AFM)，其带有特殊悬臂梁，以及

iii)微拉伸测试仪，其是为特定应用领域开发的，并利用微电子机械技术。这种微机电技术通常涉及最初为制造半导体装置如晶体管和集成电路而开发的光刻技术。

美国国家航空航天局(NASA)开发了干涉应变/位移测量系统，该系统使用激光传感器测量应变并使用负载传感器测量力，其由W.N.Sharpe Jr.于1983年在“干涉应变/位移测量系统(An interferometric strain/displacement measurement system)”，1989中报告。

在2006年报道了另一种用于原位AFM测量的基于负载传感器的微拉伸测试仪(E.Bamberg等人，Precis Eng，第30卷，第71-84页，1，2006年)。对于25N的力范围，报道提到的这种装置的分辨率为125mN。除了常用的负载传感器之外，还开发了用于高分辨率微拉伸测试的其它技术。使用具有100mN力范围和1μN分辨率的伺服控制天平来开发用于亚微米厚膜的微拉伸测试系统(T.Tsuchiya等人：“Sensors and Actuators A:Physical”，第97-98卷，第492-496,4/1,2002)。

为了测量自立式薄膜的拉伸强度，使用涡电流位移传感器和两个钢制柔性条来制造具有12mN力范围的微拉伸测试仪(Y.Cheng等人，Thin Solid Films，第484卷，第426-432页，第7/22页，2005)。

在另一种方法中，也报道了使用弯曲器(bender)作为力感测组件的微拉伸测试仪；例如用于研究聚合物微观力学的硅梁弯曲器(U.Lang等人，Microelectronic Engineering，第83卷，1182-1184,0,2006)和用于肌肉细胞的粘弹性分析的可偏转移液管(K.Nagayama等人，Med.Eng.Phys.，第29卷，第620-628页，6,2007)。为了表征纳米结构，例如纳米线的材料特性，开发了用于原位电子显微镜强度测量的拉伸测试系统(Y.Zhu和H.D.Espinosa，《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)，第102卷，14503-14508，10月11日，2005)。该系统由用于装载样本的静电梳状驱动致动器和用于位移控制的热致动器组成。差分电容梳结构作为力感测组件集成到系统中，分辨率为12nN，力范围为1.5mN。